Stress-stiffening-mediated stem-cell commitment switch in soft responsive hydrogels

变硬 间充质干细胞 干细胞 自愈水凝胶 机械转化 细胞生物学 材料科学 细胞分化 生物物理学 化学 生物 复合材料 生物化学 高分子化学 基因
作者
Rajat Kumar Das,Veronika Gocheva,Roel Hammink,Omar F. Zouani,Alan E. Rowan
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:15 (3): 318-325 被引量:368
标识
DOI:10.1038/nmat4483
摘要

Bulk matrix stiffness has emerged as a key mechanical cue in stem cell differentiation. Here, we show that the commitment and differentiation of human mesenchymal stem cells encapsulated in physiologically soft (∼0.2-0.4 kPa), fully synthetic polyisocyanopeptide-based three-dimensional (3D) matrices that mimic the stiffness of adult stem cell niches and show biopolymer-like stress stiffening, can be readily switched from adipogenesis to osteogenesis by changing only the onset of stress stiffening. This mechanical behaviour can be tuned by simply altering the material's polymer length whilst maintaining stiffness and ligand density. Our findings introduce stress stiffening as an important parameter that governs stem cell fate in a 3D microenvironment, and reveal a correlation between the onset of stiffening and the expression of the microtubule-associated protein DCAMKL1, thus implicating DCAMKL1 in a stress-stiffening-mediated, mechanotransduction pathway that involves microtubule dynamics in stem cell osteogenesis.
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